液压伺服控制系统(2014)

1、液压伺服控制系统液压控制系统 第一章Introduction绪 论Outlinel开环液压控制系统与液压伺服控制系统l液压伺服控制系统分类l液压伺服控制系统特点l发展趋势及历程l液压伺服系统的应用1.1 开环液压控制系统与液压伺服控制系统三种液压控制系统开环控制系统用开关阀建构的液压控制系统电磁换向阀的阀芯有三个工作位置，左位、中位和右位。可以控制油路的通断与切换。对每一个阀口油路来说只有两种状态，即完全打开和完全关闭，所以电磁换向阀归类于电磁液压开关阀。 20150619000开环控制系统用比例阀建构的液压控制系统比例液压阀采用电信号控制阀芯进行渐变移动，从而控制阀口开度渐变变化，调节比例液

2、压阀的压降和流量等，并在一定程度上实现流量与控制信号间呈现比例变化。 20150619000液压伺服控制系统用伺服阀建构的液压控制系统电液伺服阀是高性能液压控制元件，具有很高的控制精度、很快的响应速度，不足的是电液伺服阀价格很高。闭环液压控制系统，不仅存在控制器对被控对象的前向控制作用，还存在被控对象对控制器的反馈作用。开环液压控制系统与液压伺服控制系统开环系统与闭环系统比较开环液压控制采用普通液压阀和比例液压阀的开环控制系统与液压传动系统有很大的技术重合，它们几乎采用相同类型的液压元件和液压回路。开环液压控制系统性能主要由所用液压元件的性能实现。开环系统精度取决于系统各个组成元件的精度，系统

3、的响应特性直接与各个组成元件的响应特性有关。液压开环控制系统无法对外部干扰和内部参数变化引起的系统输出变化进行抑制或补偿。从系统设计方面看，开环液压控制系统结构简单，开环液压控制系统一定是稳定的，因此系统分析、系统设计及系统安装等均相对容易，而且还可以借鉴液压传动系统的分析与设计经验。开环液压控制系统与液压传动系统具有较多的共性，区别主要是侧重点有所不同。开环液压系统经常用于控制精度要求不高，外部环境干扰较小，内部参数变化不大，并且允许系统响应速度较慢的情况。开环液压控制系统与闭环液压控制系统闭环液压控制闭环液压控制系统经常采用电液伺服阀或直驱阀作控制元件。电液伺服阀和直驱阀是高性能液压控制元

4、件，它们内部含有闭环反馈控制系统，因而这两类阀具有很高的控制精度、很快的响应速度。通常，闭环液压控制系统也称液压反馈控制系统，它依据反馈作用原理工作。反馈控制的基本思想是以偏差来消除或抑制偏差，反馈控制系统是利用偏差进行工作的。通过比较元件将反馈元件检测到的被控对象信息与系统指令元件的控制指令进行比较形成偏差信号。这个偏差信号经过能量放大，从而能够驱动大功率液压控制阀，控制液压执行元件，驱动与控制被控对象。闭环液压控制系统结构形成闭环回路。闭环控制系统存在稳定性问题，控制精度与动态响应速度均需细致设计与调试，所以闭环系统分析、系统设计及系统调试等均较为繁琐。但是采用闭环控制(反馈控制)方式，用

5、精度相对不高、抗干扰能力相对不强的液压元件有可能建构控制精度高和抗干扰能力强的控制系统，或者在现有液压元件性能的条件下，有可能利用闭环控制获取更好的控制系统性能及控制效果。反馈控制有开环控制无法实现的优点。201506190001.2液压伺服控制系统分类1）按照控制系统完成的任务分类按照控制系统完成的任务类型，液压控制系统可以分为液压伺服控制系统和液压调节控制系统。2）按照控制系统各组成元件的线性情况分类按照控制系统是否包含非线性组成元件，液压控制系统可以分为线性系统和非线性系统。3）按照控制系统各组成元件中控制信号的连续情况分类按照控制系统中控制信号是否均为连续信号，液压控制系统可以分为连续

6、系统和离散系统。4）按照被控物理量分类按照被控物理量不同，液压反馈控制系统可以分为位置控制系统、速度控制系统、力控制系统和其它物理量控制系统。1.2液压伺服控制系统分类5）按照液压控制元件或控制方式分类按照液压控制元件类型或控制方式不同，液压反馈控制系统可以分为阀控系统（节流控制方式）和泵控系统（容积控制方式）。进一步按照液压执行元件分类，阀控系统可分为阀控液压缸系统和阀控液压马达系统；泵控系统可分为泵控液压缸系统和泵控液压马达系统。6）按照信号传递介质分类按照控制信号传递介质不同，液压控制系统可分为机械液压控制系统、电气液压控制系统等。1.3液压伺服控制系统特点液压反馈控制主要优点概括如下：

7、（1）体积小和重量轻液压元件具有很大的功率重量比和力矩惯量比(或力-质量比)，因此液压系统的功率传递密度大。在同样控制功率或同样控制负载情况下，采用液压控制技术可以建构结构更紧凑、体积更小、重量更轻和动态响应更快的液压控制系统。（2）刚度大、精度高、响应快液压工作液体积模量大，泄漏小，液压控制系统具有很大静态刚度。液压伺服系统可以提供更大的动态刚度。液压控制系统的刚度大，则负载力干扰产生的液压执行机构位移误差较小，系统控制精度较高，响应控制指令的速度较快。（3）驱动力大，适合重载直接驱动液压控制系统采用静液压驱动方式，具有液压传动系统驱动力大的优点。在同样体积情况下，液压系统可以发出更大力（或

8、力矩）。在同样负载条件下，液压控制更适合直接驱动。优点20150619000优点（4）调速范围宽，速度控制方式多样静液压驱动方式易于实现无级变速，调速范围宽。例如液压仿真转台的阀控马达转速范围可以实现0.0004/s至200/s连续变速。速度控制有阀控方式、变转速泵控、变排量泵控等多种方式适应不同被控对象需求。（5）自润滑、自冷却和长寿命液压工作液具有良好润滑特性和冷却作用。液压元件工作时元件磨损小，液压工作液能够带走工作过程中产生的热量，液压控制系统具有更长的工作寿命。（6）易于实现安全保护液压回路中易于设置压力保护安全阀或其他过载保护机构。液压系统能可靠地进行频繁的带负载启动和制动，以及进

9、行正反向直线或回转运动。 缺点液压反馈控制的主要缺点概括如下：（1）抗工作液污染能力差超过80%的液压系统故障与工作液污染有关。与液压传动系统相比，液压控制系统对工作液污染更为敏感。高压液压泵马达和精密的液压控制元件(如电液伺服阀)抗污染能力差，对工作液的污染较为敏感。与电液伺服阀比较，比例控制阀和直驱阀的抗污染能力较强，与普通电磁换向阀相当，且性能较好，甚至接近电液伺服阀。（2）对温度变化敏感工作液温度变化大时，其粘度等指标变化很大，工作液粘度变化对控制系统的性能影响很大。温度过高或过低，密封元件密封性能降低，甚至失效。液压系统需要进行热平衡设计。需注意到：液压系统的冷却方面也有良好设计范例

10、，如飞机的液压系统冷却与燃油供给系统的协调设计。（3）存在泄漏隐患当液压元件的密封设计、制造和使用维护不当时，容易引发泄漏故障，外泄漏还会造成环境污染。注意到：密封技术发展迅速，它的进步大大减少了工作液泄漏隐患。缺点（4）制造难，成本高液压反馈系统中包含许多超精密配合的零件部件，如伺服阀等，因此液压控制存在制造精度要求高和制造成本高的问题。同时也应注意到：制造难、精度高的液压元件通常由专业生产企业制造，液压反馈系统构建可以直接选购精密液压控制元件，而不是自行设计制造全部液压元件，从而减低了液压反馈系统的制造难度。还应注意到：一些低成本、制造工艺性好的、高性能的液压控制元件不断被开发出来，如直驱

11、阀的结构相对简单，制造成本较低，且性能接近电液伺服阀。（5）不适于远距离传输且需液压能源液压工作液具有粘性，因此远距离传输损失大，不适合长距离传输。液压系统需要配套的液压能源站，液压能源使用不如电能便捷。应该注意到：直驱泵控系统不需要集中的液压能源站，连接各个液压作动器系统的只有电缆。1.4液压伺服控制系统发展趋势及历程20150619000公元前240年，在古埃及出现了人类历史上第一个液压反馈系统水钟。公元前200多年阿基米德（Archimedes）关于浮力的论述实际上是液体压强（压力）的理论研究成果。1650年，帕斯卡提出了帕斯卡原理。它描绘了静态液体中的压力传播规律。1686年，牛顿揭示

12、了粘性液体的内摩擦定律。18世纪，流体力学的连续性方程被建立起来。1795年，英国出现了世界上第一台水压机，液压传动开始进入工程领域。1873年，伺服马达（servo motor）一词出现，它指用曲柄连杆反馈轮船舵机运动自动关闭舵机操纵助力蒸汽装置的反馈控制机构。1877年，Edward John Routh 提出了线性定常系统稳定性判据。1895年，Adolf Hurwitz 发表了线性定常系统稳定性判据。1906年前，液压传动与控制技术应用于海军战舰炮塔的俯仰控制。1914年前，液压伺服控制技术出现在海军舰艇舵机的操控装置上。1932年，Harry Nyquist 发表了关于奈奎斯特判据的

13、论文。 发展历程（续1）1934年，伺服机构（servomechanism）一词出现，Harold Locke Hanzen给出了定义：“一个功率放大装置，其放大部件是根据系统输入与输出的差来驱动输出的。”1939年前，液压控制技术得到高速发展，射流管阀、喷嘴挡板阀等许多控制阀原理出现。出现一种具有永磁马达及接收机械及电信号两种输入的双输入阀，并在航空领域应用。1940年，滑阀特性和液压伺服控制理论研究出现。Hendrik Bode 发表了关于最小相位系统幅频特性和相频特性关系的Bode定理。1945年前，用螺线管驱动的单级开环控制阀建立的液压伺服系统出现。1946年，伺服阀的关键组件及技术相

14、继出现，例如力矩马达、两级阀、带反馈的两级阀。压力21MPa飞机液压控制系统出现。1948年，N. Wiener出版Cybernetics（控制论）。1950年，单喷嘴两级伺服阀出现。1953年至1955年间，机械反馈式两级伺服阀、双喷嘴两级伺服阀、干式力矩马达相继出现。1957年，两级射流管伺服阀和三级电反馈伺服阀出现。发展历程（续2）1960年前后，伺服阀技术空前发展，大量伺服阀技术专利等文献出现，出现大量伺服阀生产厂家。当时的伺服阀已具有许多现代伺服阀的特征。1960年，Blackburn, J. F.等. 出版了Fluid power control（流体动力控制）图书。1962年，E

15、rnest E. Lewis, Hansjioerg Stern. 出版Design of hydraulic control systems（液压控制系统设计）图书。1963年，面向工业应用的系列伺服阀产品出现。1967年，Herbert E. Merritt 出版Hydraulic control systems图书。1973年，工业标准接口伺服阀出现。射流管先导级及电反馈的平板型伺服阀研制成功。1974年，低成本、大流量的三级电反馈伺服阀出现。不带闭环的比例阀出现。1976年，Herbert E. Merritt 的液压控制系统（Hydraulic control systems）中文译

16、本出版。1980年前后，几部液压控制系统的中文教材和专著出版。发展历程（续3）1980年后，开始直驱阀（direct drive valve, DDV）研制。1990年后，直驱阀获得了重大进展。1997年，无阀直驱液压伺服技术出现。美国将DDV阀用于航空静液压驱动系统。飞机上出现35MPa液压控制系统。1998年，四级电液伺服阀出现。2000年，直驱容积控制（direct drive volume control，DDVC）获得实际应用。2006年，应用直驱容积控制技术的产品出现。例如采用DDVC技术的注射机、压力机和冶金设备等。 液压伺服控制系统发展趋势液压控制技术的发展方向可以概括为集成化

17、、数字化、微型化、超大型化和超重型化发展。插装等新型安装方式的液压元件获得广泛应用，多个多种功能的液压控制阀可安装到一个油路块上实现复杂功能，体现了集成化发展趋势。电子技术特别是总线技术发展，促使液压技术向数字方向发展。在液压阀内部嵌入安装了电子控制电子电路，液压控制阀可以接收数字信号，并可通过计算机程序来改变液压控制阀的性能，实现数字化补偿等功能。新材料和新技术的发展及在液压控制领域应用促使新型液压控制元件研制出来。特别是体积小、性能高的液压元件。液压元件小型化和微型化为液压控制技术在更广泛领域应用创造了条件，如机器人、医疗器械、运动机械。2001年液压伺服控制技术开始出现在F1赛车上 ，用

18、于完成动力转向、档位选择、油门控制等功能的系统 201506190001.5 液压控制系统应用l应用分析l应用案例应用分析液压伺服控制、液压开关控制、机电伺服控制液压伺服控制系统在动态响应频率方面远高于液压传动系统、液压开关控制；液压控制系统与机电控制系统应用领域具有互补性;液压伺服控制系统具有更高动态特性与更大的驱动能力。 应用分析在各种设备上，液压控制应用情况依据各个专业领域设备特点，采用合理的参数设计液压控制系统，液压控制在上述多个领域都可以胜任。 应用分析飞行器上的不同设备同一台机器设备上，不同用途和功能的装置在系统动态特性、驱动控制能力、运动速度范围等方面都是不同的。 应用案例l材料试验机材料试验机l四自由度飞行模拟器四自由度飞行模拟器l超大型地震实验台超大型地震实验台l飞行控制系统飞行控制系统l机器动物机器动物l两足机器人两足机器人应用案例 1材料力学实验机大功率、材料试验加载大多采用了液压控制。 应用案例 1 材料力学实验机闭环控制，位置反馈，力反馈，计算机控制应用案例 2四自四